Die 1. Hauptgruppe des PSE

Halogene - Alkalimetalle - Redoxreaktionen. Alkalimetalle. Das Verhalten zu Wasser. Redoxverhalten der Alkalimetalle.

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40. Die 1. Hauptgruppe des PSE

Alkalimetalle

 
Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium und Cäsium sind Alkalimetalle
 
 
Durchschneide ein Stückchen Kalium oder Natrium und stelle fest, wie sich die Schnittfläche verändert!

Die Alkalimetalle sind die chemischen Elemente Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium, Caesium und Francium. Sie stehen der 1. Hauptgruppe des Periodensystems und entsprechend dieser Stellung ist ihre äußerste Elektronenschale (Valenzschale) nur mit einem einzigen Elektron besetzt. Es sind weiche Metalle, deren Schnittfläche silbrig glänzt (Metallglanz).

Eigenschaften

Alkalimetalle sind metallisch glänzende, silbrig-weiße (Ausnahme: Caesium hat bei geringster Verunreinigung einen Goldton), weiche Leichtmetalle. Sie sind mit dem Messer schneidbar. Alkalimetalle haben eine geringe Dichte. Sie reagieren mit vielen Stoffen, so beispielsweise mit Wasser, Luft oder Halogenen teilweise äußerst heftig unter starker Wärmeentwicklung.

Insbesondere die schwereren Alkalimetalle können sich an der Luft selbst entzünden. Daher werden sie unter Schutzflüssigkeiten, wie Paraffin oder Petroleum (Lithium, Natrium und Kalium) bzw. unter Luftabschluss in Ampullen (Rubidium und Caesium) aufbewahrt.

Nachweis der Alkalimetalle

Alkalimetalle und ihre Salze verursachen eine charakteristische Flammenfärbung. Diese Erscheinung kann zum Nachweis dieser Metalle bei chemischen Untersuchungen genutzt werden.

Flammenfärbung von Cäsiumchlorid
Flammenfärbungen
Typische Flammenfärbungen (links: Lithium, mitte: Natrium, rechts: Kalium)

Das Verhalten zu Wasser


$ \mathrm {Natrium + Wasser \longrightarrow Natronlauge + Wasserstoff} $


$ \mathrm {Kalium + Wasser \longrightarrow \ \; Kalilauge \ \; + \; Wasserstoff} $


Die Alkalimetalle zeigen gegenüber Wasser ein scheinbar überraschendes Verhalten. Lithium, Natrium und Kalium sind so leicht, dass sie auf dem Wasser schwimmen (siehe Spalte Dichte in der Tabelle unten). Sobald sie mit Wasser in Berührung kommen tritt eine heftige chemische Reaktion ein, bei der Wasserstoff und eine Lauge entstehen. Die bei dieser Reaktion entstehende Wärme reicht aus, um die Metalle zu schmelzen.

 
 
Wirf ein kleines Stückchen Natrium in eine mit Wasser gefüllte pneumatische Wanne. Das Wasser ist vorher mit Lackmus gefärbt worden.
Bild 2. Verhalten eines Alkalimetalls gegenüber Wasser
 

Es handelt sich dabei um exotherme Reaktionen, die bei Kalium so viel Energie liefert, dass sich der Wasserstoff sofort entzündet. Wird beim Natrium die Bewegung auf dem Wasser gebremst, so entzündet sich auch hier der Wasserstoff.

 
 
Wiederhole den Versuch 2 mit Lithium und Kalium. Verwende etwa gleichgroße Stückchen.
 
 
Lege nun Filterpapier auf das Wasser und lege ein Stückchen Natrium darauf.
 
Mit steigendem Atomradius steigt die Fähigkeit, Elektronen abzugeben.

Redoxverhalten der Alkalimetalle

Der Atombau von Natrium und Kalium erklärt das unterschiedliche Verhalten beider Elemente, so hat Natrium einen kleineren Atomradius als Kalium, weshalb die Protonen des Natriums auf das Außenelektron eine stärkere Anziehung ausüben als die des Kaliums. Je leichter aber die Elektronen aus der Atomhülle herausgerissen werden können, desto eher können sie sich an chemischen Reaktionen beteiligen. Umgekehrt wird eine chemische Reaktion auch begünstigt, je leichter Elektronen eingefangen werden können, wie es beispielsweise bei den Halogenen der Fall ist. Reaktionen zwischen Halogenen und Alkalimetallen verlaufen deshalb besonders heftig.

Die Reaktionsbereitschaft des Natriums zu Sauerstoff ist so groß, dass es sogar den im Kohlenstoffdioxid gebundenen Sauerstoff an sich reißt. Dies erfolgt unter Aufglühen und Rußabscheidung (Schwarzfärbung am Grunde des Reagenzglases).


Katalyse der Vereinigung von Wasserstoff und Sauerstoff
Bild 3. Vergleich der Atomradien von Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium, Cäsium. Die Zahlen beziehen sich auf die Elektronenzahl in den Schalen.

 
Tauche ein ausgeglühtes Magnesiastäbchen oder Platindraht in verschiedene Natriumsalze. Dann in die nichtleuchtende Gasflamme halten.
 
Wiederhole Versuch 5 mit Lithium-, Kalium-, Rubidium- und Cäsiumsalzen.
 
 
Fülle ein Reagenzglas mit Kohlenstoffdioxid ung bringe ein Stückchen Natrium ein. Verschließe das Reagenzglas sofort mit Watte und erhitze vorsichtig.

Bei der Reaktion von Natrium mit Kohlenstoffdioxid entsteht Kohlenstoff und das Salz Natriumcarbonat:


$ \mathrm {3 \ CO_2 + 4 \ Na \longrightarrow \ 2 \ Na_2CO_3 + C} $
Kohlendioxid  + Natrium  →  Natriumcarbonat + Kohlenstoff


Natrium entzieht also einer Verbindung den Sauerstoff. Damit ist es ist ein Reduktionsmittel, da es leicht sein Außenelektron abgibt:


$ \mathrm { \underbrace {Na}_{Natriumatom} \cdot \longrightarrow \underbrace {Na^+ + e^-}_{Natriumion} } $


Eigenschaften der Alkalimetalle
Element Flammenfarbe Atommasse (u) Atomradius (nm) Dichte Schmelzpunkt °C Siedepunkt °C
Lithium rot 6,9 0,122 0,53 179 1336
Natrium gelb 22,9 0,157 0,97 97,9 883
Kalium violett 39,1 0,202 0,86 63,5 757
Rubidium rot 85,4 0,216 1,53 39,0 700
Cäsium bläulich-violett 132,9 0,235 1,90 28,4 670
Reaktionsfähigkeit nimmt von oben nach unten ab
 
Reaktionsvermögen nimmt mit Atommasse zu
 
Flammenfärbung: Lithium - rot, Natrium - gelb, Kalium - violett
 
Alkalimetalle sind glänzend, weich und sehr reaktionsfähig. Sie reagieren mit Wasser unter Wasserstoffentwicklung und sind ein Reduktionsmittel

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